(57)【要約】【課題】燃料電池の性能評価おいて、時々刻々と変化する少量の生成水の水量を計測できるようにする。【解決手段】制御部９０により一定の回転数で回転するモータ５０により回転駆動する略円筒形状の回転器３０に、生成水を落下させるノズル２０を有する水量計測装置１０において、生成水が回転器３０に当ると、モータ５０の負荷変動を検出するトルク検出器８０の検出結果と、モータ５０の負荷変動と水量関係を記憶する記憶部９５のデータとに基づいて、水量を計測することできる。【選択図】図１
2007198753.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水量計測装置において、
略円筒形状の回転器と、
この回転器を回転駆動させるモータと、
このモータを一定の回転数で回転させる制御部と、
このモータにかかる負荷の変動を検出する検出器と、
この回転器に向けて、被計測体である水を落下させる落下手段と、
を有し、
この検出器の検出結果に基づいて水量を計測することができる水量計測装置。
【請求項２】
請求項１に記載の水量計測装置において、
前記モータにかかる負荷の変動と水量との関係を示す検量線を記憶する記憶部を有し、
この記憶部に記憶された検量線に基づいて、前記検出器の検出結果から水量を計測することができる水量計測装置。
【請求項３】
請求項２に記載の水量計測装置は、燃料電池の性能評価における生成水の水量を計測する水量計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水量計測装置、特に固体高分子型燃料電池の性能評価のおける生成水の水量を計測する水量計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料電池に関するさまざまな研究開発が行われている。特に、自動車業界では、将来、内燃機関自動車の代替となり得るモータ駆動の電気自動車に搭載する固体高分子型燃料電池の実用化に向けて、研究開発が盛んに行われている。
【０００３】
固体高分子型燃料電池（燃料電池）は、燃料極（アノード）と、高分子電解質膜と、空気極（カソード）とが順に積層した膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly）を、２枚のセパレータで挟持した構造を有している。この構造により１つの電池が構成されるため、一般にこの構造がセルと称される。アノードとカソードは、電極触媒層とガス拡散層を有しており、電極触媒層が高分子電解質膜側に面し、ガス拡散層がセパレータに面している。各セパレータは、アノードに水素ガス及びカソードに酸素ガスを供給するための流体経路を形成している。
【０００４】
燃料電池の電気化学反応による発電について説明する。アノードガス拡散層では、セパレータを通じて供給された水素ガスが、アノード電極触媒層に向けて拡散される。アノード電極触媒層では、アノードの触媒作用により、次の式に従って、水素ガスが、水素イオンと電子に解離される。
【０００５】
Ｈ２  →  ２Ｈ＋  ＋  ２ｅ−
【０００６】
アノードの触媒作用により生成した水素イオンは、プロトン電導性を有する高分子電解質膜を透過して、カソードへ送られる。また、アノードの触媒作用により生成した電子は、外部回路を通じてカソードへ送られる。
【０００７】
一方、カソードでは、セパレータを通じてカソードガス拡散層に供給された酸素ガスがカソード電極触媒層に向けて拡散される。カソード電極触媒層では、高分子電解質膜を透過した水素イオンと、外部回路を通じて供給された電子とが、カノードの触媒作用により酸素と反応し、次の式に従って、水を生成する。
【０００８】
２Ｈ＋  ＋  ２ｅ−  ＋  （１／２）Ｏ２  →  Ｈ２Ｏ
【０００９】
このＭＥＡ内における一連の電気化学反応により、セルは外部へ電力供給が可能となる。なお、通常使用される燃料電池システムは、セルを積層方向に多数積層させたセルスタックとして、所望の起電力が得られるようにしてある。
【００１０】
燃料電池は、使用条件（例えば、ガス量、ガス圧、温度、ＭＥＡの材質）によって、電気化学反応の挙動が異なり、発電能力等の性能が異なってくる。基礎的な研究において、このような使用条件に対する性能評価を行うことは、燃料電池の実用化に向けて重要である。その中で、電気化学反応に応じて生成する生成水の水量を計測することは、燃料電池の電気化学反応の挙動を把握するための一つの有効な手段である。
【００１１】
従来技術として、燃料電池の生成水を計測する方法は、燃料電池より排出した生成水を容器に蓄積し、蓄積された水量を一定時間毎に計測していた。そして、計測した生成水の水量により、燃料電池の電気化学反応の挙動を推定していた。また、実用化される燃料電池のようなサイズでは、生成水の水量が数Ｌ／ｍｉｎ程度あり、通常の流量計等により生成水の水量を計測できる。
【００１２】
特許文献１には、燃料電池発電装置において、生成水を水量計により計量し、所定量溜まるのに要する時間を計測し、単位時間当たりの流量を求める技術について開示されている。
【００１３】
特許文献２には、流量計において、モータの制御で一定の回転数で回転する回転体が、液体を捕捉して同一の回転速度のエネルギを与えることにより、モータに負荷がかかり、その負荷（消費電力）により液体の流量を測定する技術について開示されている。
【００１４】
【特許文献１】特開平８−１６７４２３号公報
【特許文献２】特開平７−２０９０５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
燃料電池の性能評価において、セル構成材料の選定等の基本的な構成の評価を行う場合がある。このとき、性能評価に用いる燃料電池は、セルサイズが数十ｃｍ２程度の試作品の小型セルとなる。この小型セルは、生成水の水量が数ｍＬ／ｍｉｎ程度であり、生成水が少量である。このため、一般的な流量計を使用することはできず、比較的長時間掛けて溜まった水量を計測することになる。従って、燃料電池の性能評価の目的である、生成水の水量の経時変化から燃料電池の電気化学反応の挙動を推定することが困難になる。
【００１６】
本発明の目的は、燃料電池の性能評価おいて、簡易な構造で、時々刻々変化する少量の水量を計測することのできる水量計測装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記課題を解決するために、本発明の水量計測装置は、略円筒形状の回転器と、この回転器を回転駆動させるモータと、このモータを一定の回転数で回転させる制御部と、このモータにかかる負荷の変動を検出する検出器と、この回転器に向けて、被計測体である水を落下させる落下手段と、を有し、この検出器の検出結果に基づいて水量を計測することができる。
【００１８】
また、本発明の水量計測装置は、前記モータにかかる負荷の変動と水量との関係を示す検量線を記憶する記憶部を有し、この記憶部に記憶された検量線に基づいて、前記検出器の検出結果から水量を計測することが好適である。
【００１９】
さらに、本発明の水量計測装置は、燃料電池の性能評価における生成水の水量を計測することが好適である。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の水量計測装置によれば、簡易な構造で、時々刻々変化する少量の水量を計測することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明に係る実施形態について、図面を用いて説明する。本実施形態においては、一例として、燃料電池の性能評価における生成水の水量計測装置について説明する。しかし、本発明は、この実施形態に限定されるものではなく、液体の流量を計測する装置として使用することができる。
【００２２】
図１は、本発明の実施形態に係る水量計測装置の概略構成を示す構成図である。水量計測装置１０は、略円筒形状の回転器３０と、回転器３０を回転駆動させるモータ５０とを有している。モータ５０の回転軸である出力軸６０には、回転器３０が取り付けられている。出力軸６０は、回転器３０の両側の軸受４０で支持されている。これにより、モータ５０は、供給された電力に基づき、回転トルクを発生させ、出力軸６０を介して回転器３０を回転させることができる。
【００２３】
回転器３０は、略円筒形状であり、略円筒形状の筒部３２は水流を受け止める形状をしている。従って、回転している回転器３０の筒部３２に生成水が当ると、回転器３０は、生成水に運動エネルギを与えることになる。言い換えれば、回転器３０は、生成水から負荷を受ける。従って、生成水の水量が変動すると、回転器３０が受ける負荷が変動し、回転器３０を回転駆動させているモータ５０の負荷が変動することになる。この結果、水量の変動とモータの負荷の変動とに相関関係があり、モータの負荷の変動を検出することにより、回転器３０に当った水量を導き出すことができる。
【００２４】
回転器３０の筒部３２の形状は、例えば、筒部３２が羽根車となっており、羽根車の各翼が外周部より突出していてもよいし、壁面部３４により各翼が挟持されるようにしてもよい。また、回転器３０の筒部３２の形状は、筒部３２の表面に回転器３０の回転軸に平行な方向の溝を形成した形状でもよいし、単に凸凹を多数形成した形状でもよい。
【００２５】
回転器３０の上部には、生成水を落下させるノズル２０がある。回転器３０に対するノズル２０の位置は、落下する生成水によって回転器３０に負荷を与えることができる位置である。すなわち、落下する生成水が回転器３０に当る位置は、回転器３０の頂上でも、回転器３０の回転方向と生成水の落下する方向が対向する位置（回転器３０の頂上を０度とすると、回転器３０の回転方向に対し−９０度まで）でも、もしくは、その間の区間でもよい。生成水が回転器３０の頂上で当る場合は、落下してきた生成水に対し、回転器３０の当る部位（例えば、羽根車の翼）が水平に移動している。よって、生成水には、水平の運動エネルギが与えられる。回転器３０の回転方向と生成水の落下する方向が対向する位置の場合は、落下してきた生成水に対し、回転器の当る部位（例えば、羽根車の翼）が上に移動している。よって、生成水には、垂直の運動エネルギが与えられる。その結果、回転器３０は、生成水から負荷を受ける。また、落下する生成水が回転器３０に当る位置が、回転器３０の頂上を０度とすると、回転器３０の頂上から回転器３０の回転方向に対し９０度までの区間でもよい。この場合、回転器３０の回転方向と生成水の落下方向が順行するため、回転器３０の受ける負荷は水量が多い程、小さくなる。
【００２６】
ノズル２０には、燃料電池１の排出管路２から排出された生成水が供給される。ここで、燃料電池１は、生成水と共に電気化学反応で反応しなかったガス（酸素ガス）を排出する。さらに、燃料電池１は電気化学反応により高温となっているため、一部の生成水が気化して水蒸気となっている。そこで、排出管路２の途中に気液分離装置３を設けることが有効である。気液分離装置３は、燃料電池1から排出した酸素ガスを冷却器４により一定温度まで低下させ、水蒸気を液化させる。これによって、水蒸気として逃げる水量をほぼ０にするか、または、一定量にすることができ、生成水をノズル２０に供給することができる。
【００２７】
水量計測装置１０は、モータ５０を制御し、水量を算出する制御部９０を有している。モータ５０には、回転状態を検出する回転検出器７０が設けられており、検出結果を制御部９０に送っている。制御部９０は、回転検出器７０の検出結果に基づいて、モータ５０を一定の回転数で回転するように、モータ５０へ供給する電力を制御する。
【００２８】
出力軸６０には、トルク偏差を検出するトルク検出器８０が配置されており、検出結果を制御部９０に送っている。制御部９０は、トルク検出器８０の検出結果と、記憶部９５からのデータとに基づいて、水量を算出する。すなわち、モータ５０の負荷変動と水量との関係を予め調べ、その結果として得られた検量線を記憶部９５にテーブルとして記憶している。なお、本実施形態では、モータ５０の負荷変動は、トルク検出器８０の検出結果のトルク偏差である。このモータ５０の負荷変動は、モータ５０へ供給している電流値にも現れる。一方、制御部９０は、モータ５０の回転数が一定となるように供給電力を制御するため、内部に電流検出器を有している。よって、モータ５０の負荷変動は、この電流検知器の検出結果を用いることができる。また、モータ５０の回転数を一定に保つための制御量を、モータ５０の負荷変動としてもよい。
【００２９】
次に、水量計測装置１０の動作について説明する。モータ５０は、制御部９０から供給される電力により、回転トルクを発生して回転する。それに伴い、同軸上の回転器３０も回転する。制御部９０は、モータ５０を設定された一定の回転数で回転させるために、回転検知器７０からの検出結果に基づいて、モータ５０へ供給する電力を制御する。これにより、モータ５０は、常に設定された一定の回転数で回転することができる。
【００３０】
性能評価をする燃料電池１から電気化学反応により生成水と排ガスが排出される。気液分離装置３は、冷却器４により排ガスを一定の温度まで低下させ水蒸気になっている生成水を液化する。気液分離装置３で分離された生成水は、ノズル２０へ供給される。ノズル２０から落下した生成水は、回転器３０に当る。このとき、回転器３０は、生成水から負荷を受ける。回転器３０が負荷を受けるとモータに負荷がかかり、回転数が変化する。回転検出器７０が回転数の変化を検出して、検出結果を制御部９０へ送る。制御部９０は、設定の回転数になるように、モータ５０に供給する電力を制御する。トルク検出器８０は、トルクが変動したことを検出し、検出結果を制御部９０へ送る。制御部９０は、この検出結果と記憶部９５のデータを比較し、水量を算出する。
【００３１】
以上により、水量計測装置１０は、燃料電池の性能評価において、時々刻々変化する少量の水量を計測することができる。
【００３２】
回転器３０をプラスチック等の軽量材料で構成することで、軽量化することが好適である。なお、軽量化した回転器３０は、少量の生成水でも回転の影響を受けやすくなる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明を示す構成図である。
【符号の説明】
【００３４】
１  燃料電池、２  排出管路、３  気液分離装置、４  冷却器、１０  水量計測装置、２０  ノズル、３０  回転器、３２  筒部、３４  壁面部、４０  軸受、５０  モータ、６０  出力軸、７０  回転検出器、８０  トルク検出器、９０  制御部、９５  記憶部。
【図１】
2007198753.tif 000003